器官芯片并非硅電子芯片做出的人體器官的模擬器，而是含有人體活體細(xì)胞的生物芯片，當(dāng)然，這種芯片比類器官更小。

器官芯片在生命研究、疾病治療、藥物和疫苗的研發(fā)方面已經(jīng)顯示了越來(lái)越重要的作用和巨大的生命力。

近日，麻省理工學(xué)院的研究人員在《Science Advances》期刊上發(fā)表了題為“Human physiomimetic model integrating microphysiological systems of the gut, liver, and brain for studies of neurodegenerative diseases”的論文。

我們的大腦與消化道在許多方面有著緊密聯(lián)系。比如當(dāng)你感到緊張時(shí)會(huì)感覺(jué)胃部疼痛；當(dāng)腸道發(fā)出饑餓信號(hào)時(shí)，我們會(huì)感到煩躁。最近有研究甚至表明：生活在我們腸道中的細(xì)菌會(huì)影響某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

在動(dòng)物（如小鼠）中對(duì)這些復(fù)雜的相互作用進(jìn)行建模非常困難，因?yàn)樗鼈兊纳韺W(xué)與人類的生理學(xué)有很大不同。腸腦軸就是腸管的中軸線，它位于食管、胃臟、小腸與結(jié)腸內(nèi)層組織的鞘中，含有神經(jīng)細(xì)胞、神經(jīng)傳遞質(zhì)、蛋白質(zhì)和復(fù)雜的環(huán)行線路。

為了幫助研究人員更好地理解腸腦軸，麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種“器官芯片”系統(tǒng)，該系統(tǒng)復(fù)制了大腦、肝臟和結(jié)腸之間的相互作用。使用該系統(tǒng)，研究人員可模擬腸道微生物對(duì)大腦組織以及帕金森病患者的組織樣本的影響。

他們發(fā)現(xiàn)，腸道中微生物產(chǎn)生的短鏈脂肪酸被運(yùn)輸?shù)酱竽X中，對(duì)健康和患病的腦細(xì)胞產(chǎn)生不同的影響。

近年來(lái)，Griffith的實(shí)驗(yàn)室一直在開(kāi)發(fā)微生理系統(tǒng)小型設(shè)備，可用于生長(zhǎng)通過(guò)微流體通道連接的不同器官的工程組織模型。Griffith說(shuō)，在某些情況下，這些模型可以提供比動(dòng)物模型更準(zhǔn)確的人類疾病信息。

在去年發(fā)表的一篇論文中，Griffith和Trapecar使用了微生理系統(tǒng)來(lái)模擬肝臟和結(jié)腸之間的相互作用。在該研究中，他們發(fā)現(xiàn)腸道中微生物產(chǎn)生的分子短鏈脂肪酸（SCFA）在某些情況下可加劇與潰瘍性結(jié)腸炎相關(guān)的自身免疫炎癥。SCFA，包括丁酸酯，丙酸酯和乙酸酯，也對(duì)組織產(chǎn)生有益作用，包括增強(qiáng)免疫耐受性。

在這項(xiàng)新研究中，麻省理工學(xué)院的研究小組決定將大腦和循環(huán)免疫細(xì)胞添加到他們的多器官系統(tǒng)中。為此，他們與Whitehead研究所的Jaenisch實(shí)驗(yàn)室合作。Jaenisch以前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方法，可將帕金森氏病患者的成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為多能干細(xì)胞，然后將其誘導(dǎo)分化為不同類型的腦細(xì)胞-神經(jīng)元，星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞。麻省理工學(xué)院的研究人員將其用于帕金森氏癥模型的細(xì)胞攜帶一種突變，該突變導(dǎo)致一種稱為α突觸核蛋白的蛋白質(zhì)蓄積，從而損害神經(jīng)元并引起腦細(xì)胞炎癥。Jaenisch的實(shí)驗(yàn)室還產(chǎn)生了已糾正此突變的腦細(xì)胞。Griffith和Trapecar首先在微生理系統(tǒng)中研究了這兩組腦細(xì)胞，，經(jīng)過(guò)校正的細(xì)胞顯示出更多的炎癥。帕金森氏細(xì)胞的脂質(zhì)和膽固醇代謝能力也相對(duì)受損。

然后，研究人員使用允許免疫細(xì)胞和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（包括SCFA）在它們之間流動(dòng)的通道，將腦細(xì)胞連接到結(jié)腸和肝臟的組織模型。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于健康的腦細(xì)胞而言，接觸SCFA是有益的，并有助于它們成熟。但是，當(dāng)帕金森氏病患者的腦細(xì)胞暴露于SCFA時(shí)，其有益作用就消失了。相反，細(xì)胞經(jīng)歷了更高水平的蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊和細(xì)胞死亡。

即使從系統(tǒng)中刪除了免疫細(xì)胞，也可以看到這些作用，導(dǎo)致研究人員假設(shè)這些作用是由脂質(zhì)代謝的變化介導(dǎo)的。Trapecar說(shuō)：“短鏈脂肪酸似乎可以通過(guò)影響脂質(zhì)代謝而不是直接影響某些免疫細(xì)胞群而與神經(jīng)退行性疾病聯(lián)系在一起。”

研究人員還計(jì)劃對(duì)可能受腸道微生物組影響的其他類型的神經(jīng)系統(tǒng)疾病進(jìn)行建模。Griffith說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)為人類組織模型可以產(chǎn)生動(dòng)物模型無(wú)法獲得的信息提供了支持。她現(xiàn)在正在研究該模型的新版本，其中將包括連接不同組織類型的微血管，從而使研究人員能夠研究組織之間的血流如何影響它們。

Griffith還說(shuō)：“我們應(yīng)該真正推動(dòng)這些技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)閷⒏嗟娜祟愄卣饕胛覀兊哪Ｐ头浅Ｖ匾?。我們已?jīng)能夠開(kāi)始獲得關(guān)于人類狀況的見(jiàn)解，而這些見(jiàn)解很難從小鼠身上獲得。”

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